微功率无线网络定位方法及系统

微功率无线网络定位方法及系统技术领域本发明涉及定位技术，特别涉及无线网络定位方法及系统。

背景技术定位技术到目前为止，都是采用的无线信号定位的方法。

现有定位系统，基本上可以分为以GPS为代表的定位系统和以移动通信网络为代表的无线网络（包括GSM、CDMA网络）定位系统。

GPS定位技术的基本原理是：被定位物体，通过与之相连GPS接收终端，同时接收四颗（至少三颗）GPS卫星发来的定位信号，再计算出该物体所处的经纬度和高度位置坐标（X，Y，Z），从而实现定位的。

但这种X，Y，Z位置坐标信息，在许多实际应用中，往往还需转换为我们所熟悉的地理位置信息，例如街道名称，具体参考地点等，才能真正方便使用。

在对移动目标，例如车辆定位时，还需要将所算出位置信息，通过现有移动通信网络终端传给控制中心。

才能真正到达定位的目的——对车辆的监控。

简单的讲，就移动目标定位而言，GPS 定位系统至少需要由GPS卫星，GPS接收机、移动通信网络和移动终端（GMS 或CDMA收发模块）和监控中心组成。

GPS定位系统的缺点，除了建立定位系统的成本及运营成本高以外（包括移动网络使用费），它的使用在城市中还受到极大的限制。

因为使用GPS设备的重要前提之一，是接收机与卫星之间有直射路径，而GPS在建筑物密集的城区及建筑物内部存在信号接受盲区。

另外GPS 定位还要受到多径效应和许多其他因素的影响，包括初始定位信号捕获时间较长等（通常为0.5～15min）。

现场实验表明，在高楼林立的城市，安装GPS接收机的公交车辆，能够正常接收GPS定位信号的概率大约为70％左右。

在一些特殊场合，如钢筋混凝土建筑物内、地下室或矿井中，甚至完全收不到GPS信号。

基于移动通信网络的定位技术，除了要对现有移动网络的布置，网络基站和移动终端的软件和硬件做较大的改变外，它的使用，还要受到城市中非视距传播、多径效应和多址干扰等因素的极大影响。

在网络布置上，一般要求移动终端，能够同时与3个或3个以上基站，进行直接通信，通过各种复杂的测距、测向来确定移动终端的位置。

而现有通信网络系统主要用于通信目的，设计时考虑到移动终端仅与一个基站联系就能完成通信功能，仅在小区边沿需要切换时，才与邻近几个基站联系，其基站密度达不到定位要求。

所以，除非进行大量投资改造，现有通信网络很难满足定位要求。

综上所述，现有定位技术的主要缺点是，结构复杂，投资大，运营费用高，不能在复杂的城市环境条件下，满足许多实际应用的需要。

发明内容：本发明所要解决的技术问题，就是针对现有定位系统结构复杂，成本高，运营费用高的缺点，提供一种不依赖于GPS和现有移动通信网络的，简单，经济实用的微功率无线网络定位方法和定位系统。

它包括以下步骤：a．在需要定位区域内，建立一个由控制中心，和若干具有固定位置的微功率收发机，组成的无线网络通信系统. 每一个收发机就是一个网络节点。

在定位区域图上，对每一个网络节点的位置加以标识。

如图1所示：图1 微功率无线网络定位系统b．对需要定位的移动目标进行标识，并在移动目标上安装微功率定位信号发射机；c．建立网络节点与移动目标之间，以及网络节点与控制中心之间的通信联系；d．根据网络节点是否接收到某个移动目标的定位信号，以及接收到的定位信号的强度大小，从相关节点的位置来确定该移动目标的位置；特别是，对于以Zigbee为代表的微功率无线通信网络，步骤a中的网络节点就是FFD（主节点）；步骤b中的移动目标就是RFD（子节点）。

本发明的微功率无线通信网络定位系统中：所述网络节点收发机中的接收机部分，用于接收带有移动目标身份标识的定位信号，它与移动目标所载的发射机，共同完成系统的定位功能；所述网络节点上的收发机（包括接收和发射两部分），控制中心的计算机，以及网络通信管理软件，共同组成网络的信息传输系统；所述控制中心计算机，存储有每个节点的地址，每个移动目标的身份识别信息以及网络管理软件；所述微功率收发机和发射机，是指由高度集成的芯片收发机(Transceiver IC)或芯片发射机(Transmitter IC)制成的，（其功率应小于100豪瓦）可以直接安装在户外，或随身携带的微型收发机和发射机。

所述网络节点收发机，一般应具有定位信号强度显示功能；所述网络中的节点，应具有自动中转来自其它节点包括主节点和子节点的信息的功能；所述无线通信网络具有多种结构形式：星型，树状，网状以及混合型等拓扑形式，如图2所示：星型结构串状结构网状/网状混合结构图2微功率无线定位网络的拓扑结构本发明的有益效果是系统结构简单，安装方便，投资少，成本低，技术成熟，不需要复杂的信号测量和计算，就能够满足实际定位需要；系统本身既是一种定位网络，也是通信网络，降低了运营费用，并能够提供多种网络服务。

具体实施方式：下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

为便于理解本发明的技术方案，先将与本发明有关的几个概念简介如下：无线信号的传输：在开阔空间条件下，一个无线发射机通过天线发射一定功率的射频信号，某点的射频信号强度，与该点距发射天线的距离的平方成反比，我们可以用公式：Tr=KQ/R2来表示。

这里Tr代表距离发射机R处的信号强度，Q代表发射机天线端的信号强度，而K则可以简单考虑为衰减系数，主要取决于发射和接收天线的高度，射频信号的频率，传输途径环境条件等因素。

在一般要求不是很高，环境条件不是非常复杂的小范围内，我们可以将它当作为一个常数。

图3 无线信号强度与发射点距离的关系：图3 无线信号强度与发射点距离的关系：发射机的信号覆盖半径Ra：无线接收机B能否收到另一个相隔一定距离，使用相同信道和通信方式的无线发射机A所发射的信号，既取决于发射机A所发射的信号到达接收机B处的信号强度Tb，也取决于接收机B的接收灵敏度Brs。

当Tb大于Brs时，B便可以收到A的信号。

我们将距离A某个位置处的信号强度，刚好等于接收机B的接收灵敏度Brs时的距离Rab，称作为A相对于接收机B的覆盖半径。

Rab随Tb的增大和Brs值（接收灵敏度的提高）的减小而增大。

图4 发射机A相对于B的覆盖半径接收机的定位半径Rba：当A的位置固定，A的发射功率和B的接收灵敏度一定时，B只有当处于一个以A为圆心，Rab为半径的一个固定范围内时，才能接收到A的信号。

反之，将B的位置固定，则只有当A进入到一个以B为圆心，Rab为半径的一个固定范围内时，B才能接收到A的信号。

在一般情况下，这个半径Rab必须在经验和估算的基础上，经过现场实际测量得出。

这个半径也就是B相对于发射机A的定位半径Rba（Rab＝Rba）。

在现场可以通过实测和公式Tr=KQ/R²算出定位点B定位范围内K的粗略值。

B接收到的信号越强，A 离B就越近。

如图5所示：图5 接收机B定位半径（相对于发射机A）信号指纹：在地形复杂（例如建筑物密集）的区域定，无线电信号对地形和传播时障碍物具有依赖性，因而呈现出非常强的接收站点特殊性。

因此对于每一个接收点来说，该信道的多径结构对每一个位置是惟一的，如果同样的射频信号被从该位置发射，这样的多径特征（包括强度，方向，时间等）可以被认为是该位置的信号指纹。

我们通过在相邻几个网络站点，测量在某个具有标识性位置范围内，移动目标所发射出的射频信号的强度（为了简单实用的考虑，我们只测信号强度，但通过多点来测量），找出它们的变化模式和变化范围，并建立这个特定位置区域的指纹。

每一个站点所测得的信号强度，将被当作为确定该发射位置的一个定位分量，能够测到这个信号的站点越多，定位分量越多，发射位置就越能被唯一的确定，当然工作量也就越大。

实际上，由于我们的定位只是一个标识性区域范围的定位，绝大多数情况下，往往两个或三个定位分量就足以唯一确定移动发射目标的位置范围。

因而，一般我们只选取三个最大的网络站点的信号，来建立某特定区域位置对应的信号指纹（三个分量）的变化范围（它可以用一个特征参数值来表示）。

当三个强度分量仍不足以与某一个位置区域建立唯一的对应关系时，我们可以通过在该区域增设一个定位网络节点，从而增加一个信号强度定位分量来解决。

如图6所示：图6 信号指纹定位系统：如前所述，本发明的定位部分是由网络节点收发机的接收机部分，和移动目标的发射机共同组成。

对于给定节点，其定位范围只与它的接收机的灵敏度和移动终端的发射功率有关。

因而我们既可通过调整移动终端的发射功率，也可通过改变该节点的接收机灵敏度，来改变它的定位范围的大小。

在定位区域内的局部地区，环境条件可能比较复杂，往往需要增加定位节点的密度，并缩小节点的定位范围，以满足定位精度的要求。

Zigbee网络：Zigbee主要是为工业和家庭自动化为目的，而制定的一种新的无线网络通信标准。

特点是低成本，低功耗，低数据量和高集成度。

它本身是一个信息传输网络，要将它用作为一个定位网络，我们只需Zigbee系统中的网络主节点FFD作为定位系统中的网络节点，网络子节点RFD作为移动终端；同时，为了更有效的利用Zigbee网络来定位，我们需要根据实际定位的需要，调整主节点和子节点的接收灵敏度和发射功率，以使网络节点的通信范围，和定位精度范围都能满足实际应用的需要。

这往往需要增大主节点的发射功率,减小子节点的发射功率，以及可能的主节点接收灵敏度的调整。

另外，我们还可以保留子节点的接收功能，以便在实际定位应用中，控制中心和移动目标可以进行相互通信。

本发明定位方法根据前面所述定位步骤d中所介绍的定位原则，这里介绍三种最基本的具体定位方法：几何中心法：当移动目标A发射的定位信号仅被某一节点B收到，几何中心就是节点B。

移动目标A处于以B为圆心，以定位半径Rab (B相对于A的定位半径)为半径的圆周范围内，或半径为Ra2＝（KQ/Tr2）1/2的圆周上，如图5所示。

可以看出，节点所收到的信号Tr越强，则Ra2越小，移动目标A越接近节点B，定位精度越高。

这种情况同样适合以定位信号最强的节点作为移动目标位置的定位方法。

上述情况可以看作其他节点定位信号强度为0。

图7显示了2个和3个节点使用几何中心方法定位的情况：左图中节点A和B收到了移动目标的定位信号，或者节点A、B上的定位信号强度大于其他节点上的定位信号强度。

这时我们以节点A、B的几何中心——节点A、B连线的中点作为移动目标的位置。

图7 使用相关节点几何中心定位的情况右图是3个节点定位的情况，图中节点A、B、C都收到了移动目标的定位信号，或者节点A、B、C上的定位信号强度大于其他节点上的定位信号强度。

这时我们以节点A、B、C的几何中心——即△ABC三条中线的交点作为移动目标的位置。

K值定位法：在定位区域内，有时需要更准确的了解移动目标的位置，此时，可以利用定位节点所显示的信号强度，再通过现场简单实测，建立这个区域定位信号衰减系数K的数学模型，利用公式ra＝（KQ/Pra）1/2，计算出移动目标与节点之间的距离ra。